01

2025年8月，新物质创造学科群程方益教授学科交叉重点项目团队在材料学科顶级期刊《Advanced Materials》上发表题为“Controllable Configuration of Constitutional Units in Vanadium/Iron-Based Polyanionic Compounds for Sodium-Ion Storage”的研究综述论文，特种化学电源全国重点实验室、化学学院陈军院士和张凯研究员为本文共同通讯作者。钠离子电池凭借资源丰富、成本低和耐低温等优势已成为锂离子电池的第一顺位替代装置。其中，钒/铁基聚阴离子型化合物具有循环寿命长、工作电压高和成本可控等特性，是其理想的正极候选材料之一。钒/铁基聚阴离子型化合物为满足应用需要，常依赖于本征掺杂修饰和表界面改性应对离子/电子传输效率差以及能量密度低等挑战。尽管掺杂是一种有效解决方案，但不同类型的聚阴离子材料间因掺杂元素类别的差异性缺乏“桥梁”建立有效联系，而建立“桥梁”联系的核心目的，是把“经验式、试错式”的掺杂研发变成“数据式、预测式”的材料设计，以便让钠离子电池正极材料迭代速度追上锂电节奏，是能量密度不低于180 Wh/kg、循环寿命超过8000次产业目标的关键路径。掺杂剂诱导的八面体/四面体单元构型与电化学性能之间的构效关系是建立沟通“桥梁”的关键，但相关研究仍不明晰。本研究系统性地重新评估了八面体与四面体结构单元的组成及连接方式对钠存储性能的影响；通过建立结构描述符并进行系统分析，阐明了八面体/四面体构型单元的调控作用，为描述掺杂类型对构效关系的内在影响建立了全新的研究视角。同时，还讨论了其他修饰策略以补充对结构单元的研究。此外，在工业应用端，平衡电化学性能与空气稳定性、成本及大规模生产仍具挑战性。为实现多尺度改性以应对可编辑和可预测的优质材料设计需求，本研究建议通过创建新型构型组分、控制组成单元的结构排序，并结合界面与微观结构调控来实现。与此同时，将通过理论模拟来预测/验证其效能，为合理设计高性能、低成本且可持续的聚阴离子化合物应用于钠离子电池提供理论依据。此外，未来的研究可能围绕高比能聚阴离子材料开发、固态电解质创制乃至无负极设计的协同运用及攻关等难点进行，从大数据分析预测、工艺模仿设计、节能减排到人工智能材料检测和机制解析形成交叉领域全链条研究脉络，以应对更多新能源发展挑战。

通过多种策略提升聚阴离子型化合物电化学性能的未来研究方向建议。a) 八面体与四面体结构单元的掺杂改性与可控配置；b) 界面修饰；c) 微观结构工程；d) 人工智能主导的理论模拟。

原文链接：https://doi.org/10.1002%2Fadma.202509966

02

2025年7月，新物质创造学科群程方益教授学科交叉重点项目团队在化学学科顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表题为“Observation of *N₂H₃ Intermediates by In Situ Electrochemical SERS: New Pathway of Ammonia Oxidation on High-Durability PtIr Catalysts”的研究论文，化学学院谢微教授为本文唯一通讯作者。电催化氨氧化（AOR）可在温和条件下实现高效转化，具有低起始电位的Pt催化剂在长期运行过程中存在严重的失活现象。尽管合金化策略已经被证实能够有效提高Pt的耐久性，但催化剂表面物种动态演化与稳定性之间的内在关联尚不清晰。针对这一难题，该研究通过构建双功能核‑卫星超级结构，使用原位表面增强拉曼光谱（SERS）成功捕捉到了PtIr合金催化剂表面AOR过程中关键N-N偶联中间体—*N₂H₃。电化学测试结果表明，Pt0.88Ir0.12在2000次循环后仍保持90%以上活性，远优于纯Pt的快速衰减。原位SERS进一步揭示：纯Pt表面生成的*NH₂易被逐步氧化为强吸附性的*NOx，导致活性位点中毒；而在PtIr合金表面，*N₂H₃作为N–N偶联的产物出现，且未生成氮氧物种，说明其反应路径发生根本转变。结合理论计算，作者指出Pt-Ir双金属位点上独特的电子协同效应是驱动*N₂H₃中间体介导的反应路径进行的根本原因。该研究不仅阐明了PtIr合金在AOR中的抗毒化机制，也为基于原子尺度位点工程设计高效、高稳定性的电催化剂提供了重要的理论指导。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09123

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2025年10月，认知科学学科群祝宁华院士学科交叉重点项目团队在材料学科顶级期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Programmable Terahertz Grafted Vortex Interference Based on Patterned Transparent Electrodes and Liquid Crystal Anisotropy-Induced Chiral Field”的研究论文，电子信息与光学工程学院范飞教授为本文通讯作者。

利用单个光子器件生成多轨道角动量模式涡旋光的研究，在信息编码、抗干扰传输及粒子操控等领域具有重要应用价值，但对其干涉场的主动调控，仍面临功能材料与器件集成方面的挑战。针对这一难题，该研究通过集成图案化石墨烯透明电极、液晶层与螺旋介质超表面，实现了太赫兹嫁接涡旋干涉（图1a）。研究提出并引入 “液晶各向异性诱导手性场” 这一全新概念（图1b），在单层超表面中消除了两个共自旋通道间的自旋锁定限制。同时，基于图案化石墨烯层的太赫兹透明电极，既解决了液晶集成非金属超构表面的驱动难题，又实现了多像素、多电平编码控制下的动态相位重构（图1c）。实验结果表明，在 0.5–0.6 THz 频段内，借助 16 像素的空间编码可获得不同的空间嫁接轨道角动量模式，结合 5 电平相位调制对不同自旋分配比进行调节，最终能够合成并准连续调控2×5¹⁶种干涉场图样（图1d）。这种可编程涡旋干涉装置在多个领域具有显著优势：在光通信中，可以提升通信带宽和速度，同时减少串扰；在量子信息科学中，支持高维量子纠缠态的制备，并促进量子技术的实际应用；在粒子操控中，能够实现多微粒和纳米粒子的同步控制。此外，该装置还具有与电路系统的高度兼容性，并在光子电路集成方面具有巨大潜力——为多功能光子芯片的发展奠定了坚实基础。

原文链接

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202519749

04

2025年5月，新物质创造学科群汪磊教授学科交叉重点项目团队在国际环境科学权威期刊《Water Research》上发表了题为“Metabolic allocation strategies of Geobacter in electroactive biofilms to adapt to varying acetate supply concentrations”的研究论文，环境科学与工程学院王鑫教授为本文唯一通讯作者。电活性生物膜是一种能将污染物降解与能量回收相结合的微生物体系，在废水处理与资源能源化领域展现出广阔的应用潜力。支撑这一过程的关键，是以地杆菌（Geobacter）为核心的电活性微生物。然而，在以乙酸盐为底物的体系中，地杆菌的竞争力会随供给浓度变化而波动，其机制尚不清楚。针对这一问题，本研究构建了连续流反应体系，在不同乙酸盐浓度下持续培养生物膜，揭示了Geobacter的适应性代谢策略。结果表明，Geobacter通过调节参与蛋白质合成、多糖生产和TCA循环的碳分配，实现对乙酸盐底物波动的响应：在低乙酸盐供应浓度下，以生长和繁殖为首要目标；而当乙酸盐供应充足时，则提高分解代谢效率。同时，过量的乙酸盐还会诱导细胞内乙酰辅酶A的累积毒性效应，触发包括应激反应、乙酰辅酶A水解酶合成和碳源储存等一系列代谢调节过程。这些适应性机制共同决定了Geobacter在废水电活性生物膜中的竞争生态位，使其在乙酸盐匮乏时占据种群优势，并在乙酸盐丰富时提升电流产量。本研究结果对Geobacter在不同乙酸盐可用性环境下的生存策略有了新的认识，并为定向调控电活性生物膜的性能和稳定性以实现环境功能提供了理论依据。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123890